Будущие технологии энергонезависимой памяти: PCM, 3D NAND, ReRAM

1Гбит 45нм PCM кристалл

Системные инженеры продолжают сталкиваться со значительными трудностями при проектировании надёжных систем хранения данных, основывающихся на флеш-памяти. С каждым следующим поколением, характеристики существующих технологий памяти ухудшаются, требуя значительных изменений системного уровня для сохранения надёжности и производительности системы. NOR и NAND флеш-память основываются на ячейках памяти, которых становится всё сложнее уменьшать (масштабировать). PCM (Phase Change Memory) является многообещающей технологией энергонезависимой памяти следующего поколения, сочетающая свойства NOR, NAND и DRAM, и которую возможно масштабировать до геометрий, меньших 10нм.

Свойства	PCM	NOR	NAND	DRAM
Энергонезависимость	Да	Да	Да	Нет
Масштабируемость	<10нм	~3x нм	~1x нм	~2x нм
Побитовое программирование	Да	Нет	Нет	Да
Необходимо стирание	Нет	Да	Да	Нет
Прошивка	Простая	Умеренная	Сложная	Простая
Скорость записи/кристалл	1–100 МБ/с	~1 МБ/с	10–100 МБ/с	~ГБ/с
Задержка записи	~1мкс	–	~100–800мкс	~20–50нс
Задержка чтения	50–100нс	70–100нс	10–50мкс	50нс
Износоустойчивость	106–8	105	104–5	Неогранич.
Сравнительная таблица технологий памяти

(1сек=1000мс; 1мс=1000мкс; 1мкс=1000нс; 1нс=1000пс)

Существующая память, как например NOR, NAND и RAM, основывается на хранении электрического заряда (электронов) в качестве механизма памяти. С уменьшением размеров, количество хранимых электронов уменьшается до предела, когда надёжность снижается и дальнейшее масштабирование становится сложным. Такое явление требует внедрения всё более сложных решений, при этом со снижающейся эффективностью. PCM не использует электроны, но взамен использует изменение физического состояния халькогенидного материала как механизм памяти. Халькогенидный сплав уже показал стабильность своих характеристик при тех. процессе 5нм. Масштабируемость является одной из главных мотиваций, способствующих исследованию и разработке PCM.

Как и RAM, PCM программируется побитно. В отличии от RAM и PCM, флеш-память требует отдельного шага стирания большого блока данных при изменении маленького объёма информации. Возможность побитного программирования и отсутствие необходимости стирания намного упрощает программное управление памятью. В некоторых рабочих сценариях, PCM можно использовать взамен RAM.

PCM может достигать скорости записи, сравнимой с NAND, но со в 100 раз низшей начальной задержкой (временем записи первого байта) и без необходимости отдельного (и медленного) шага стирания. Отсутствие медленного шага стирания перед записью и низкая задержка может значительно улучшить общую эффективную скорость записи.

Как и RAM и NOR флеш-память, PCM-технология обладает быстрым временем произвольного чтения, что позволяет исполнять программный код непосредственно из памяти без промежуточного копирования в RAM. В противопоставлении, NAND флеш-память обладает длительным временем произвольного доступа, в несколько десятков микросекунд, что не позволяет её использовать для непосредственного исполнения кода.

PCM может использоваться в SSD, для хранения страниц, к которым выполняется частый доступ; таблиц дефектных блоков; и таблиц сопоставления страниц с секторами. В таком гибридном SSD небольшое количество PCM может быть использовано для улучшения администрирования NAND. Такое кэширование посредством PCM улучшит производительность и надёжность устройства. Однако PCM не рассматривают в качестве непосредственного конкурента NAND по стоимости. Если в будущем станет возможна PCMS технология, которая накладывает несколько слоёв ячеек памяти один поверх другого, тогда PCMS обеспечит стоимость ниже NAND.

Пока альтернативные технологии не уравняются или обойдут NAND-память по производственным затратам, они вряд ли найдут своё применение в корпоративном, и впоследствии, потребительском, сегменте запоминающих устройств, несмотря на все технологические преимущества таких технологий.

Изображение поверхности кремния, полученное сканирующим туннельным микроскопом. 10 нанометров составляют ~20 атомов в ширину

NAND флеш-память исчерпает потенциал масштабирования по достижению тех. процесса 8/10нм. Такой предел обусловлен атомными размерами материалов, из которых состоят ячейки памяти. Тем не менее, производители начнут создавать многочисленные слои (этажи) ячеек памяти в вертикальной плоскости – технология 3D NAND. Таким образом, можно будет увеличивать ёмкость памяти без уменьшения размеров кристалла. 3D NAND будет насчитывать 16-64 стыкованных слоёв, что позволит получить стоимость ниже нынешней NAND флеш-памяти. Toshiba предоставит опытные образцы 128Гбит-256Гбит 3D NAND в 2013 году, инженерные образцы в 2014 году, и планирует начать массовое производство кристаллов ёмкостью 512Гбит в 2015 году, позже 1Тбит или выше. В сущности, NAND флеш-память останется основной технологией энергонезависимой памяти, как минимум, ещё пять лет.

Среди числа развивающихся технологий энергонезависимой памяти, ReRAM (resistive RAM) считают весомой альтернативой NAND-памяти после 1X нм. ReRAM обладает скоростью DRAM и превосходит флеш-память в показателях износостойкости. Ячейки памяти ReRAM состоят из мемристоров (запоминающих резисторов). Производители Micron, Samsung, Toshiba, Panasonic, и Hewlett-Packard совместно с Hynix, ведут работы над ReRAM. К примеру, Toshiba продемонстрировала опытный 3D ReRAM кристалл ёмкостью 64Гбит. Компания планирует начать поставки образцов и массовое производство приблизительно в те же сроки, что и 3D NAND, с ёмкостью кристаллов несколько меньше или эквивалентной 3D NAND.

17 июля 2012 года, компания Micron объявила о массовом производстве многокристальных микросхем, содержащих 45нм 1-гигабитный PCM кристалл в сочетании с 512-мегабитным LPDDR2 кристаллом в одном корпусе. На данный момент, 45нм PCM решение Micron предназначено для мобильных телефонов, с планами на будущее предоставить решения для смартфонов и планшетов.

Какая-либо ближайшая технология, как минимум, в пять раз дороже NAND. Не следует ожидать, что новые поколения SSD будут полностью состоять из PCM либо ReRAM микросхем. Более вероятно, мы увидим гибридные SSD, которые будут совмещать NAND флеш-память и PCM/ReRAM в качестве кеш-памяти, и судя по всему, не ранее 2015 года. В сравнении с существующими SSD, состоящими полностью из NAND флеш-памяти, гибридные SSD могут показать скорость записи в 11 раз выше, на 93% низшее потребление энергии и в 6,9 раз большую продолжительность эксплуатации.

Источники:
1) searchsolidstatestorage.techtarget.com
2) www.micron.com/.../5539evolution_of_phase_change_memory.pdf
3) www.micron.com/.../6797pcm_enables_new_memory_usage_models.pdf
4) www.micronblogs.com/2011/09/pcm-real-world-demo/
5) investors.micron.com
6) techon.nikkeibp.co.jp (1), (2)